修改靶區(qū)內(nèi)低密度區(qū)CT值對放療計(jì)劃結(jié)果的影響

宋睿寧 張弓 張旭＊

1 首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 （北京 100069）

2 山西省人民醫(yī)院放療科 （山西 太原 030012）

內(nèi)容提要：目的：分析在設(shè)計(jì)肺癌放療計(jì)劃時(shí)將靶區(qū)內(nèi)低密度區(qū)域CT值修改為腫瘤CT值對計(jì)劃結(jié)果的影響。方法：在Pinnacle中對肺部腫瘤進(jìn)行理想建模，設(shè)置不同大小的腫瘤和不同大小的低密度外擴(kuò)區(qū)域，比較將低密度區(qū)CT值修改為腫瘤CT值前后的兩個(gè)治療計(jì)劃。結(jié)果：修改后計(jì)劃的最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量、平均劑量與修改前的差值隨外擴(kuò)增加線性增長，腫瘤半徑1～3cm時(shí)線性擬合斜率非常接近。不均勻性指數(shù)優(yōu)于修改前，跳數(shù)減少近30%。結(jié)論：在肺癌的放射治療中，將靶區(qū)內(nèi)低密度區(qū)域CT值修改為腫瘤CT值設(shè)計(jì)治療計(jì)劃，劑量分布改變可接受的同時(shí)均勻性更好，跳數(shù)減少可降低并發(fā)癥發(fā)生的概率。

2019年國家癌癥中心發(fā)布的全國癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中肺癌發(fā)病率高居首位[1]。隨著放射物理技術(shù)的發(fā)展，放射治療愈加重要[2]。臨床中，考慮到誤差和呼吸運(yùn)動，靶區(qū)勾畫時(shí)會有一定外擴(kuò)以保證腫瘤及亞臨床病灶得到足夠的劑量，因此肺癌靶區(qū)中經(jīng)常會包括吸收劑量低于腫瘤組織的低密度組織[3,4]。調(diào)強(qiáng)的逆向計(jì)算原理使計(jì)劃系統(tǒng)為滿足劑量要求會生成更多子野對低密度區(qū)域進(jìn)行照射，延長治療時(shí)間的同時(shí)導(dǎo)致正常肺組織受到更多照射，增加了放射性肺炎發(fā)生的概率[5,6]。本研究通過在計(jì)劃系統(tǒng)中對肺部腫瘤進(jìn)行理想建模，修改靶區(qū)內(nèi)低密度區(qū)域CT值為腫瘤組織CT值，修改前后分別設(shè)計(jì)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃，比較兩個(gè)計(jì)劃的實(shí)際劑量分布。

1.材料與方法

1.1 建模

在Pinnacle中對肺部腫瘤進(jìn)行理想建模。選常見胸部CT在右肺中構(gòu)建具有腫瘤CT值（1.1g/cm3）的不同大小的球體，半徑為1cm并以0.5cm增加至3cm。對每個(gè)球體分別做具有肺部CT值（0.15g/cm3）的不同大小的外擴(kuò)，見圖1。

圖1. 品紅色區(qū)域模擬腫瘤，藍(lán)色線區(qū)域模擬外擴(kuò)

1.2 計(jì)劃設(shè)計(jì)

選6MV的X射線，直接機(jī)器參數(shù)優(yōu)化，筒串卷積算法進(jìn)行靜態(tài)調(diào)強(qiáng)計(jì)劃設(shè)計(jì)，處方為每次200cGy共30次[7,8]。每個(gè)建模在修改低密度區(qū)域CT值為腫瘤CT值前后分別進(jìn)行計(jì)算，兩次優(yōu)化參數(shù)完全相同，并將兩個(gè)治療計(jì)劃的結(jié)果歸一為95%體積的靶區(qū)得到100%的劑量。

1.3 計(jì)劃比較和數(shù)據(jù)分析

修改CT值前得出的治療計(jì)劃其劑量分布為實(shí)際劑量分布。修改后的治療計(jì)劃需在未修改CT值的建模上重新進(jìn)行劑量計(jì)算得到實(shí)際劑量分布。采用OrginPro 2018對修改前后腫瘤區(qū)域的最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量、平均劑量的差值以外擴(kuò)大小為自變量進(jìn)行線性擬合，對不均勻性指數(shù)和輸出跳數(shù)進(jìn)行比較[9]。

不均勻性指數(shù)HI，見公式（1）[10]。

D5為靶區(qū)內(nèi)劑量從高到低的高劑量的5%，D95為95%靶區(qū)體積所接受的最低劑量。HI越接近1說明劑量分布越均勻。

2.結(jié)果

2.1 修改低密度區(qū)域CT值前后腫瘤區(qū)域的劑量分布

圖2b為不同大小的腫瘤修改CT值前后最小點(diǎn)劑量的差。橫軸為外擴(kuò)大小，縱軸為最小點(diǎn)劑量的差，對其線性擬合，見表1。最小點(diǎn)劑量差值隨外擴(kuò)增加由負(fù)值線性增加至正值，腫瘤區(qū)域半徑1～3cm時(shí)線性擬合所得斜率接近，平均斜率為24.91±3.65。

圖2. 修改低密度區(qū)域CT值前后腫瘤區(qū)域的劑量分布（注：2a、2c、2e為半徑=2cm時(shí)，修改低密度區(qū)CT值前后不同大小腫瘤的最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量、平均劑量；2b、2d、2f為修改CT值前后不同大小腫瘤的最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量、平均劑量的差（修改后-修改前）

表1. 最小點(diǎn)劑量之差線性擬合后斜率、截距(±s)

表1. 最小點(diǎn)劑量之差線性擬合后斜率、截距(±s)

腫瘤半徑(cm) 斜率 截距1 23.08±0.52 -627.8±4.9 1.5 19.94±1.03 -432.5±9.9 2 24.74±1.12 -478.9±10.7 2.5 27.64±0.64 -344.7±6.2 3 29.13±0.67 -494.8±6.4

圖2d為不同大小的腫瘤修改CT值前后最大點(diǎn)劑量的差。橫軸為外擴(kuò)大小，縱軸為最大點(diǎn)劑量的差，對其線性擬合，見表2。最大點(diǎn)劑量差值隨外擴(kuò)增大由負(fù)值線性增加至正值，腫瘤區(qū)域半徑1～3cm時(shí)線性擬合所得斜率接近，平均斜率為25.22±2.45。

表2. 最大點(diǎn)劑量之差線性擬合后斜率、截距(±s)

表2. 最大點(diǎn)劑量之差線性擬合后斜率、截距(±s)

腫瘤半徑(cm) 斜率 截距1 28.21±1.68 -679.3±16.1 1.5 24.36±1.41 -564.7±13.5 2 21.96±0.52 -715.4±4.9 2.5 24.55±0.71 -563.0±6.7 3 27.01±0.53 -578.1±5.1

圖2f為不同大小的腫瘤修改CT值前后平均劑量的差。橫軸為外擴(kuò)大小，縱軸為平均劑量的差，對其線性擬合，見表3。平均劑量差值隨外擴(kuò)增大由負(fù)值線性增加至正值，腫瘤區(qū)域半徑1～3cm時(shí)線性擬合所得斜率接近，平均斜率為26.46±2.75。

表3. 平均劑量之差線性擬合后斜率、截距(±s)

表3. 平均劑量之差線性擬合后斜率、截距(±s)

腫瘤半徑(cm) 斜率 截距1 23.19±0.55 -534.7±5.2 1.5 24.44±0.77 -418.8±7.4 2 26.26±1.53 -575.4±14.6 2.5 29.51±0.59 -505.3±5.6 3 28.89±0.63 -533.8±6.0

2.2 修改低密度區(qū)域CT值前后腫瘤區(qū)域的不均勻指數(shù)

圖3為修改CT值前后腫瘤區(qū)域的HI。橫軸為模型序號，縱軸為不均勻性指數(shù)HI。修改前治療計(jì)劃的HI平均值為1.08±0.04，修改后HI平均值為1.05±0.02。

圖3. 修改前后的腫瘤區(qū)域的HI

2.3 修改低密度區(qū)域CT值前后兩個(gè)計(jì)劃的跳數(shù)變化

修改低密度區(qū)域CT值后治療計(jì)劃中跳數(shù)平均降幅為29.6%±6.8%。

3.討論

本研究的關(guān)鍵是修改低密度區(qū)域CT值后得到的治療計(jì)劃仍需在未修改的建模上重新進(jìn)行劑量計(jì)算，比較的是修改前后兩個(gè)治療計(jì)劃的實(shí)際劑量分布。

3.1 修改低密度區(qū)域CT值前后兩個(gè)治療計(jì)劃中最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量和平均劑量隨外擴(kuò)大小的變化

修改CT值前，由于最小子野面積的限制，當(dāng)外擴(kuò)較小時(shí)，只照射低密度區(qū)域的子野會影響腫瘤區(qū)域，使腫瘤區(qū)域的平均劑量和最大點(diǎn)劑量高于要求劑量。隨著外擴(kuò)增大，這些子野對腫瘤區(qū)域的影響逐漸減少，平均劑量和最大點(diǎn)劑量逐漸降低，見圖2c、2e。而位于腫瘤區(qū)域邊緣的最小點(diǎn)劑量始終受這些子野影響，變化不大，見圖2a。

修改CT值后，腫瘤區(qū)域和低密度區(qū)域構(gòu)成密度均勻的球體，治療計(jì)劃不再對低密度區(qū)域進(jìn)行照射。當(dāng)該治療計(jì)劃重新在未修改CT值的建模上進(jìn)行劑量計(jì)算時(shí)，低密度區(qū)域吸收劑量減少導(dǎo)致腫瘤區(qū)域的最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量和平均劑量增加，且隨低密度區(qū)域的變大而增加，見圖2a、2c、2e。

以上是修改前后最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量和平均劑量分別隨外擴(kuò)大小的變化的原因。兩個(gè)原因疊加使得修改前后最小點(diǎn)劑量、最大點(diǎn)劑量和平均劑量的差值隨外擴(kuò)大小均呈線性增長，見圖2b、2d、2f。腫瘤半徑在1～3cm時(shí)線性擬合的斜率非常接近，見表1、2、3，可以作為何時(shí)選擇修改低密度區(qū)域CT值的參考。

3.2 不均勻性指數(shù)的變化

針對低密度區(qū)域的照射導(dǎo)致腫瘤區(qū)域的最大點(diǎn)劑量、平均劑量變大，導(dǎo)致不均勻性增加，修改CT值后該情況不再存在。修改后得到的治療計(jì)劃的HI更接近于1，見圖3，證明了修改低密度區(qū)CT值的可行性。

3.3 修改CT值前后治療計(jì)劃的照射輸出量

修改后的治療計(jì)劃的跳數(shù)平均有29.59%的下降，也是因?yàn)樾薷暮蟛辉儆袑Φ兔芏葏^(qū)域照射的子野。較少的子野和劑量輸出減少了正常肺組織受量，同時(shí)也縮短了治療時(shí)間。

3.4 小結(jié)

本研究基于臨床工作的總結(jié)，通過仿真建模發(fā)現(xiàn)在腫瘤半徑1～3cm時(shí)，將外擴(kuò)低密度區(qū)域的CT值修改為腫瘤CT值后實(shí)際劑量的改變是規(guī)律且可接受的，更好的均勻性和更少的照射輸出使得該方法能夠保證處方劑量的同時(shí)降低并發(fā)癥的發(fā)生概率。